Coeficiente de Absorção Molar e Análise Espectral

Os coeficientes de absorção molar dos BCD foram determinados em todos os solventes estudados em concentrações de BCD menores que 2,5µM. Nesta região de concentração não houve mudança no perfil dos espectros de absorção óptica dos BCD em função da sua concen-tração. Baseado nestes resultados considera-se que em concentrações <2,5µM os BCD são monômeros, e nestas condições foram calculados os coeficientes de absorção molar (tabela 7.5).

Solvente BCD180 BCD150 BCD90

Tabela 7.5: Coeficiente de absorção molar para as bandas de menor energia dos BCD em dife-rentes solventes.

A relação entre as intensidades das bandas de absorção ótica dos BCD obtida nos diferentes

solventes foi a mesma dos cálculos computacionais, mostrando que os ângulos entre os cromó-foros dos BCD não variam muito com o solvente. As mudanças espectrais dos BCD observadas em diferentes solventes se deram pelas mudanças nos coeficientes de absorção molar e pelo deslocamento dos máximos das bandas de absorção, sem mudanças significativas nos perfis espectrais (figura 7.10).

Figura 7.10: Espectros de absorção dos BCD nos solventes estudados.

Os coeficientes de absorção molar nos solventes orgânicos atingem o máximo em metanol e acetonitrila, os solventes que possuem maior constante dielétrica. Entretanto, em água os coefi-cientes de absorção molar são menores do que nos solventes orgânicos, isto pode ser associado com a especificidade estrutural da água. Os solventes com maior constante dielétrica produzem um deslocamento espectral para comprimentos de onda menores na seqüência: água < acetoni-trila = metanol < etanol = isopropanol (tabela 7.6). Comparando-se os espectros em acetoniacetoni-trila e metanol; etanol e isopropanol, não ocorreu deslocamento. Este comportamento representa um efeito contrário ao previsto para solvatação não especifica dos sistemas com conjugação-π [13].

Destes resultados pode-se concluir que a solvatação específica, ou seja, a capacidade do solvente formar ligações hidrogênio, influencia no deslocamento espectral dos BCD. Entre-tanto, as posições dos picos de absorção em acetonitrila e metanol, que possuem constantes dielétricas muito próximas, são praticamente iguais mostrando que neste caso a capacidade de formar ligação hidrogênio não afetou no deslocamento dos espectros. Porém, na água que pos-sui alta constante dielétrica, esperava-se um deslocamento espectral para energias menores, mas observou-se o deslocamento contrário. Estes resultados foram observados para os três BCD e

λ(nm)/ν(cm⁻¹) Tabela 7.6: Posições dos máximos de absorção dos BCD em função das constantes dielétricas dos solventes.

mostram que o efeito dos solventes nas características espectrais dos BCD é complexo. Na tentativa de esclarecer este efeito foram feitos estudos dos espectros dos BCD em mistura de água + solvente, variando o conteúdo do solvente na mistura de 0 até 100%.

Em água a banda dos agregados aparece para todos os BCD em torno de 550nm, e partindo disto o efeito da mistura de água + solvente foi feita avaliando-se a razão entre a absorbância da posição do pico dos agregados H e do pico principal (mais intenso) dos BCD em cada mistura.

r= A₅₅₀

A_mon (7.6)

A razão de estudar essa dependência é seguinte: a intensidade de pico A_mon caracteriza a absorção dos monômeros do corante e o picoA₅₅₀é a superposição da absorção do monômero e do agregado do corante. Quando o corante se agrega o picoA_mondiminui e o picoA₅₅₀ diminui pela diminuição da concentração de monômero e aumenta pelo aumento da concentração de agregados. Por isto a razão entre as intensidades dos picos do monômero e do agregado pode caracterizar a formação dos agregados.

r= ε_m⁵⁵⁰C_m+εaC_a

ε_mC_m =ε_m⁵⁵⁰

ε_m + εaC_a

ε_mC_m (7.7)

εmeε_m⁵⁵⁰são os coeficientes de absorção molar dos monômeros do corante nos picosmone em 550nm, é o coeficiente de absorção molar dos agregados de corante, e são as concentrações dos monômeros e dos agregados de corante.

Como já discutido anteriormente, a razão ^εm550

εm nas soluções não aquosas não depende do tipo de solvente e pode ser considerada como uma constanteK₁A razão ^εa

εm também é constante e será designada porK₂Assim pode-se escrever:

r=K₁+K₂C_r (7.8)

em queC_r é a razão entre as concentrações de agregados e monômeros do corante_C

m.

Figura 7.11: Espectro de absorção ótica do BCD180 em diferentes percentagens de água em etanol.

Figura 7.12: Razão entre as absorbâncias das bandas dos agregados e dos picos dos monômeros dos BCD em função da percentagem de água nos solvente.

Foi observado que a mistura de solvente com água induz a diminuição do fatorrdevido à desagregação do corante. No início a dependência dercom a porcentagem do solvente (PO) é praticamente linear.

r=K₄−K₃PO (7.9)

Comparando esta última com a equação 7.8 resulta em:

C_r= C_a

C_m =−K₃

K₂PO+K₄−K₁

K₂ (7.10)

ou seja, a razão da concentração dos agregados e monômeros de corantes depende linearmente da porcentagem do solvente em água.

Pode-se observar que a inclinação inicial das curvas depende da concentração do corante e do tipo de solvente. Para comparar os resultados de modo quantitativo criou-se o parâmetroΩ.

Ω= dr

dPO=K₂dC_r

dPO=−K₃ (7.11)

Este parâmetro caracteriza a “rapidez” da desagregação em função de conteúdo de solvente.

Infelizmente não é possível considerar que a constanteK₂não depende da natureza do solvente.

Por isso a comparação dos valores deΩem diferentes solventes tem caráter somente qualitativo.

BCD (µM) Ω×10³ 0,9 7,1±0,6 1,7 8,1±0,7 1,9 13,0±1,0 2,0 16,0±1,0

Tabela 7.7: Dependência do fatorΩem função da concentração do BCD180 em etanol.

Pelos dados obtidos para o BCD180 (tabela 7.7) pose observar que a “rapidez” da de-sagregação aumenta com o aumento da concentração do corante. A Mesma dependência foi observada para outros BCD. Este resultado é surpreendente, pois o mais lógico era esperar que a estabilidade dos agregados fosse maior quando maior a concentração do corante. Entretanto, o resultado obtido mostra que a adição do solvente desestabiliza mais efetivamente os agregados maiores.

Tabela 7.8: Dependência do fatorΩda natureza do solvente para BCD180 e BCD90, ambos na concentração de 1,7µM.

Os resultados apresentados na tabela 7.8 mostram que existe uma correlação entre Ω e a constante dielétricaξ do solvente. Entretanto, se para o BCD180Ωé maior quandoξ é maior, para o BCD90 a dependência é contrária. Além disto, se for comparado o fatorΩdos BCD nas mesmas concentrações, pode-se ver que os agregados do BCD180 desagregam mais facilmente do que os do BCD90. Isto pode significar que:

1. Os agregados de BCD90 são mais estáveis em água do que os de BCD180 devido ao

maior efeito hidrofóbico no caso do BCD90.

2. O BCD90 tem maior afinidade com solventes menos polares (isopropanol), enquanto que a afinidade do BCD180 é maior com solventes mais polares (acetonitrila, metanol).

Esta consideração está em concordância com os resultados obtidos pela Dra. Lucimara P. F.

Aggarwal, que determinou o grau de lipofilicidade BCD180 e BCD90 através da análise da ra-zão entre a quantidade do fotossensibilizador em octanol[C]₀e em fase aquosa[C]_a(coeficiente de partição, CP). Os resultados estão apresentados na Tabela 7.9. O BCD90 apresentou o maior coeficiente de partição, que indica que este composto é mais hidrofóbico que o BCD180.

Corante CP= ^[C]_[C]⁰

a

BCD90 0,64

BCD180 0,09

Tabela 7.9: Coeficientes de partição (CP) dos BCD em mistura de água+octanol.

Depois de atingir uma percentagem crítica (POcr) de solvente o fatorrchega num patamar, o que mostra que ocorreu a desagregação completa do corante. Apesar de não ocorrer mudanças do fatorracima da PO_cr, um fenômeno interessante ocorre com a intensidade de absorção dos BCD. Já nas primeiras adições do solvente a intensidade de absorção do espectro dos BCD au-menta até atingir um máximo por volta dos 50% e permanecendo estável até aproximadamente 70% de solvente. Pois neste intervalo de conteúdo do solvente os corantes não estão agregados e este aumento provavelmente é devido a mudança da constante dielétrica efetiva do ambiente, que produz um aumento no coeficiente de absorção molar do corante (figura 7.11).

7.2.2 Fluorescência

Como no caso da absorção ótica, quando a constante dielétrica do solvente aumenta ocorre o deslocamento dos máximos dos espectros de emissão dos corantes mantendo o deslocamento de Stokes aproximadamente constante (Tabela 7.10). Não houve variação significativa do des-locamento4ν_ST para os BCD nos diferentes solvente.

Os perfis dos espectros de fluorescência dos BCD são independentes do comprimento de onda de excitação e os espectros de excitação correspondem aos de absorção, o que significa que a fluorescência é emitida somente por uma espécie: o monômero do corante. Com a adição de água nos solventes ocorre o deslocamento dos espectros de fluorescência dos BCD para região de menores comprimentos de onda, como mostrado na figura 7.13 para o BCD 150 e na

Solvente ξ BCD180 BCD150 BCD90 ν_max(cm⁻¹) 4ν_ST ν_max(cm⁻¹) 4ν_ST ν_max(cm⁻¹) 4ν_ST Água 80,0 15456±30 367±60 15674±30 377±30 15847±30 360±60 Acetonitrila 36,2 15408±30 362±60 15630±30 370±30 15773±30 387±60 Metanol 32,6 15408±30 362±60 15630±30 340±30 15773±30 387±60 Etanol 24,3 15314±30 356±60 15527±30 350±30 15723±30 328±30 Isopropanol 18,3 15290±30 380±60 15530±30 340±30 15699±30 352±30 Tabela 7.10: Posição dos máximos dos espectros da fluorescência ν_max e o deslocamentos de Stokes4ν_ST dos BCD em diferentes solventes

Figura 7.13: Espectro de fluorescência do BCD 150 nos diferentes solventes e com percentagens de água variando de 10% em 10%, de 0% (mais intenso) a 100% de água.

tabela 7.10 para todos os BCD. Além disto, a adição de água induz a diminuição da intensidade de fluorescência até esta atingir um valor mínimo para 100% de água.

Os rendimentos quânticos dos BCD nos solventes e mistura com água foram calculados. Os resultados estão na tabela 7.11. O maiorφ foi obtido para o isopropanol, tomando valores de 17 a 22% para todos os BCD, e o menor para a água com valores de 0,2 a 1,8%. Entre os BCD oφ nos solventes puros segue a seguinte ordem: BCD180>BCD150'BCD90, para todos os solventes.

Na figura 7.14 está mostrada a dependência normalizada doφ com a percentagem dos sol-ventes mostrando que, para o mesmo solvente, os BCD apresentam aproximadamente o mesmo perfil, indicando que não há efeito do ângulo dos isômeros neste parâmetro. Se comparados os diferentes solventes a dependência doφ muda e pode-se notar que este ocorre com um perfil de

Água Acetonitrila Metanol Etanol Isopropanol BCD180 1,8±0,2 3,0±0,3 5,2±0,5 16,8±1,7 22,0±2,2 BCD150 1,0±0,1 0,4±0,1 2,1±0,2 6,8±0,7 20,0±2,0 BCD90 0,2±0,1 0,5±0,1 2,0±0,2 5,9±0,6 17,2±1,7

Tabela 7.11: Valores dos rendimentos quânticos da fluorescência dos BCD em solventes puros.

dois componentes: 1) o crescimento lento, que aparece em menores percentagens do solvente e 2) o crescimento rápido até atingir o valor doφ em solvente puro.

Figura 7.14: Variação dos rendimentos quânticos de fluorescência para os três BCD estudados em função da percentagem de solvente.

7.2.3 Tempo de Vida de Fluorescência

As medidas dos tempos de vida de fluorescência dos BCD foram feitas em todos os solven-tes puros e com percentagens de água até 15%. Os resultados obtidos mostram que os tempos de vida dos BCD variam entre 1,0nsa 0,01ns conforme o solvente e a percentagem de água.

Em soluções com mistura de água, o aumento da percentagem desta na mistura diminui o tempo de vida dos BCD em todos os solventes estudados. Os experimentos de tempo de vida de fluo-rescência foram feitos para o BCD180 e BCD90 usando a técnica no domínio na frequência, em que os tempos são obtidos de modo indireto através do ajuste dos dados. Os dados apresentados

nas tabelas 7.12 e 7.13 foram feitos utilizando como ajuste um ou dois tempos de vida discretos

Tabela 7.12: Tempos de vida dos BCD em solventes puros e misturados com água (Discretos (D) e/ou lorentziano (L)).

Em água pura para o BCD 180 foram encontrados dois tempos de vida discretos: um curto de 0,09nscom fração de 62% das moléculas de BCD e outro longo 0,67nscom 38% da fração, ou na distribuição lorentziana um tempo curto de 0,01nscom largura de 0,41ns. Este resultado mostra que em água o BCD180 apresenta uma mistura de moléculas com diferentes decaimen-tos. Entretanto, devido ao rendimento quântico em água ser muito baixo e o tempo de vida curto este resultado é mais qualitativo e serve apenas como comparação com outros solventes.

O BCD90 em água pura apresentou um bom ajuste com apenas um tempo de vida discreto de 0,05ns, portanto não houve indícios de misturas de espécies com diferentes tempos de vida.

Apesar dos tempos curtos dos dois BCD serem próximos os resultados apontam que a estru-tura do BCD90 deve ser menos susceptível a diferentes modos de solvatação, já a molécula do

Solvente BCD τ₁ f₁ τ₂ w χ Dist.

Tabela 7.13: Tempos de vida dos BCD em solventes puros e misturados com água (Discretos (D) e/ou lorentziano (L)).

BCD180 pela sua estrutura linear deve produzir solvatações e conformações moleculares dife-rentes em água. Em etanol os dois BCD tiveram um bom ajuste com a distribuição lorentziana, e o tempo de vida obtido para o BCD90 foi menor que o do BCD180. Em metanol ocorreu o contrário, o BCD 180 teve um bom ajuste discreto e o 90 apresentou dois tempos de vida, ou um tempo com uma distribuição, porém o tempo de vida curto do BCD90 foi novamente menor que o obtido para o 180. Em acetonitrila foi registrado o menor tempo de vida para os BCD e, em oposição, em isopropanol os BCD tiveram o maior tempo de vida: 1,12nspara o BCD180 e 0,82nspara o BCD90.

Com a mistura de água nos solventes o resultado geral para ambos BCD foi a diminui-ção dos tempos de vida com a percentagem de água e o aparecimento ou aumento de frações relativas com diferentes tempos de vidas discretos, ou aumento da largura da lorentziana.

Discussão geral dos resultados

Várias causas podem estar relacionadas com as mudanças espectrais dos BCD pela mudança do ambiente, mas de maneira geral os efeitos nas características energéticas e espectrais dos BCD

estão relacionadas com características macroscópicas elétricas como a polaridade e polarizabi-lidade dos solventes, e as microscópicas como a capacidade de formar ligações de hidrogênio.

Entretanto, a análise do deslocamento de Stokes em função das características dos solventes mostrou que os efeitos referentes as características macroscópicas dos solventes, seguindo a te-oria de Lippert bem como a formação das ligações de hidrogênio, são desprezíveis no caso dos BCD e deve existir outro mecanismo do efeito do ambiente que influenciam as característica espectrais e energéticas. Neste ponto de vista o deslocamento espectral pode estar relacionado a mudanças estéricas dos BCD como a torção das cadeias de conjugação-πe a mudança de ângulo entre os cromóforos. Neste sentido foi calculado o ângulo das moléculas de BCD nos solventes e no vácuo por simulação computacional (capítulo 4.5). Os resultados (Tabela 7.14) indicam que a interação com os solventes altera a estrutura dos BCD e causa mudanças nos ângulos entre os cromóforos. Deste ponto de vista as características dos solventes podem influenciar, ou na formação preferencial de uma estrutura espacial do corante mais energeticamente estável ou, contrariamente permitir a existência de várias estruturas isoméricas cujos níveis energéticos são próximos.

Tabela 7.14: Ângulos dos BCD calculados através da equação 7.5 nos vários solventes e com-putacionalmente.

Estas mudanças estéricas afetam a interação dipolo-dipolo entre os cromóforos e o efeito túnel pelo heterociclo central, e assim causam mudanças no espectro de absorção ótica. Além disto, o aumento da constante dielétrica do ambiente deve diminuir a interação dipolo-dipolo entre os cromóforos, diminuindo o spliting dos níveis energéticos do corante aumentando a energia do nível mais baixo e deslocando a banda de absorção mais longa para região de meno-res comprimentos de onda.

Outro efeito do ambiente se manifesta na dinâmica da desativação da excitação eletrônica de BCD que se reflete em mudanças dos rendimentos quânticos de fluorescênciaφ_{f l} e tempos de vida do estadoS^∗₁(τ_S1)dos corantes. É conhecido que a formação dos agregados H diminui o rendimento quântico da fluorescência e os tempos de vida dos estados excitados. A análise dos espectros de absorção mostrou que nas soluções aquosas os agregados de formam a partir de concentrações ≈1µM. Por este motivo considerando apenas efeitos dos solventes e não

agregação, nós analisamos inicialmente os efeitos só em solventes orgânicos.

Pode-se observar da tabela 7.15 que τ_S1eφ_{f l} diminuem quando aumenta a constante die-létrica do solventeξ. Entretanto, em acetonitrila cujoξ é praticamente igual ao do metanol, os BCD possuemφ_{f l} significativamente menor.

Solvente ξ Viscosidade Tabela 7.15: Tempo de vida e rendimento quântico de fluorescência dos BCD nos vários sol-ventes em função da viscosidade e constante dielétrica.

A diminuição deτ_S1eφ_{f l} se associa com o aumento das taxas de processos não radiativos da desativação da excitação, que acontece quando aumenta a densidade dos níveis vibracionais e rotacionais do estado fundamental e dos excitados, que ocorre pelo aumento da mobilidade relativa das partes da molécula. É conhecido que a cadeia de conjugação-πdos corantes ciânicos é flexível e por isto estes possuem, em solventes de baixa viscosidade, valores de τ_S1 e φ_{f l} relativamente pequenos. Entretanto, em solventes viscosos (glicerina, altos álcoois etc.) τ_S1 e φ_{f l}aumentam dramaticamente, pois o aumento da viscosidade do solvente diminui a mobilidade das moléculas.

Pode-se ver (tabela 7.15) que para os BCD existe uma correlação entre as viscosidades dos solventes orgânicos e valoresτ_S1 eφ_{f l}. Como já comentado, o efeito da adição de água nos solventes orgânicos ocorre em duas fases: um decaimento rápido dosτ_S1 eφ_{f l} na presença de pequenas percentagens da água, quando os espectros de absorção não mostram a presença dos agregados dos corantes, e um decaimento lento doφ_{f l} quando aparece o pico característico dos agregados.

Nós associamos a primeira fase com a destruição da estrutura das camadas de solvatação das moléculas de corantes pelo solvente, isto devido a presença de moléculas de água que produz a diminuição da microviscosidade do meio ao redor das moléculas de corante e conseqüente-mente aumenta a mobilidade das moléculas solvatadas. A segunda fase nós associamos com a agregação dos corantes estimulada pela presença de grande percentagem de água.